کاتد کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب نوئل برای باتری‌های روی-هوای قابل شارژ

سابقه و هدف: باتری‌های قابل شارژ روی هوا به‌دلیل چگالی انرژی نسبتا بالا، سازگاری با محیط زیست، ایمنی منتج از الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال و مقرون به صرفه بودن، به‌عنوان سیستم‌های ذخیره انرژی جایگزین امیدوارکننده‌ای برای باتری‌های لیتیوم یون امروزی در تامین انرژی به شمار می‌روند. اما، چگالی انرژی عملیاتی شده نسبت به مقدار تئوری در باتری‌های روی هوا همچنان بسیار پایین‌ است و سینیتیک ضعیف الکتروشیمیایی در واکنش‌های مربوط به کاتد هوا یکی از مهمترین موارد دخیل در این امر می‌باشد. هدف این پژوهش، ارزیابی کارایی الکترودهای کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب درخت نوئل به‌عنوان کاتد هوا در باتری روی هوا می‌باشد.مواد و روش‌ها: در این پژوهش، از برون چوب هواخشک شده‌ی درخت نوئل به‌عنوان ماده پیش‌ساز الکترودهای کربنی استفاده شد. نخست مقطوعات چوب اولیه، به بلوک‌های عرضی، شعاعی و مماسی با ابعاد 3 *50 * 50 میلی‌متر بریده و با روش پیرولیز آرام در محیطی عاری از اکسیژن، با اعمال برنامه‌های دمایی معین به الکترودهای کربنی یکپارچه تبدیل شدند. تمامی مقطوعات پیرولیز شده با فرایند سمباده زنی به ضخامت حدود 1 میلیمتر تبدیل شدند. در ادامه، اثر دمای بیشینه فرایند پیرولیز (800 و 1000 درجه سانتی گراد) و نوع برش مقطوعات چوبی اولیه بر ویژگی‌های ریخت‌شناسی و فیزیکی شیمیایی الکترودهای کربنی تولید شده و کارایی الکتروشیمیایی آنها در باتری‌های روی هوا مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. یافته‌ها: نتایج به‌دست آمده تاثیر قابل ملاحظه‌ی دمای بیشینه فرایند پیرولیز و نوع برش مقطوعات چوبی اولیه متناسب با راستای الیاف را بر کارایی الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی ساخته شده به‌عنوان کاتد هوا نشان داد. با افزایش دمای بیشینه پیرولیز از 800 به 1000 درجه سانتی‌گراد، عملکرد الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی تهیه شده بهبود یافت. همچنین، الکترودهای کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب نوئل با سطح مقطع بزرگ عرضی، ویژگی‌های الکتروشیمیایی برتری را نسبت به همتایان خود (نمونه‌های واجد سطح مقطع‌های بزرگ مماسی و شعاعی) نشان دادند. به طور کلی، باتری‌های مونتاژ شده با الکترود کاتد کربنی واجد سطح مقطع بزرگ عرضی و دمای پیرولیز 1000 درجه سانتی گراد، به‌طور معناداری عملکرد الکتروشیمیایی مطلوب‌تری را در آزمون‌های طیف‌سنجی امپدانس و ولتامتری خطی جارویی در نشان دادند.نتیجه‌گیری: به‌طور خلاصه بهبود عملکرد الکتروشیمیایی الکترودهای کاتد هوای ساخته شده با افزایش دمای بیشینه‌ی پیرولیز، به توسعه تخلخل ساختاری و سطح ویژه الکترودهای تهیه شده نسبت داده شد. همچنین، در نمونه الکترودهای کربنی مشتق شده از چوب نوئل، با توجه به نقش کلیدی تراکئید‌ها در سوزنی برگان در انتقال جریان مواد در راستای طولی چوب و نیز ضخامت کمتر الکترودهای مونولیتیک کربنی تولید شده نسبت به طول تراکئیدها، به‌نظر می‌رسد انتقال جریان الکترولیت و الکترون‌ در نمونه الکترودهای واجد سطح بزرگ عرضی به صورت موثرتری نسبت به دو نوع دیگر انجام شده و لذا کارائی الکتروشیمیایی پیل بهبود یافت.

spruce wood-derived monolithic carbon cathode for rechargeable zinc-air batteries

background and purpose: rechargeable zinc air batteries, due to their relatively high energy density, environmental compatibility, safety resulting from non flammable electrolytes, and affordability, are considered promising alternative energy storage systems to today’s lithium ion batteries for power supply. however, the practical energy density achieved in zinc air batteries is still far lower than the theoretical value, and the slow electrochemical kinetics of the air cathode reactions is one of the most important factors involved. this research aims to evaluate the performance of monolithic carbon electrodes derived from spruce wood as air cathodes in zinc air batteries.materials and methods: in this study, air dried sapwood of spruce (picea orientalis) was employed as the starting material for fabricating carbon electrodes. first, the initial wood pieces were cut into cross sectional, radial, and tangential blocks with dimensions of 3 * 50 * 50 mm and converted into monolithic carbon electrodes via slow pyrolysis under an inert atmosphere using specific temperature programs. all pyrolyzed samples were sanded to a thickness of about 1 mm. the effect of the maximum pyrolysis temperature (800 and 1000 °c) and the type of wood cutting on the morphological and physicochemical properties of the produced carbon electrodes and their electrochemical performance in zinc air batteries were investigated and analyzed.findings: the results showed a significant influence of the maximum pyrolysis temperature and the type of wood cutting relative to the fiber direction on the electrochemical performance of the carbon electrodes fabricated as air cathodes. increasing the maximum pyrolysis temperature from 800 to 1000 °c improved the electrochemical performance of the carbon electrodes. additionally, monolithic carbon electrodes derived from spruce wood with large cross sectional surface areas exhibited superior electrochemical characteristics compared to their counterparts (samples with large tangential and radial surface areas). overall, zinc air batteries assembled with carbon cathode electrodes of large cross sectional area and fabricated at a pyrolysis temperature of 1000 °c exhibited significantly superior electrochemical performance in impedance spectroscopy and linear sweep voltammetry tests.conclusion: in summary, the enhanced electrochemical performance of the air cathodes with increasing maximum pyrolysis temperature was attributed to the development of the structural porosity and specific surface area of the prepared electrodes. for spruce wood derived electrodes, the key role of longitudinally oriented tracheids, along with the smaller thickness of the fabricated monolithic carbon electrodes compared to tracheid length, likely facilitated electrolyte and electron transport within the large cross sectional area cathode electrodes. this efficient transport mechanism is believed to contribute to the improved overall electrochemical performance of the cell.